Файл: УП Наполнители.doc

Все виды слюды содержат небольшое количество связанной воды, обычно не более 5%. При сильном нагревании вермикулит необычайно сильно расширяется, образуя длинные червеподобные структуры, которые в несколько раз превышают свой первоначальный объем, откуда вермикулит и получил свое название, обозначающее «червеобразный».

Кристаллы слюды имеют пластинчатую структуру, состоящую из тетраэдров оксида кремния (Si₂O₅) или силоксановых слоев. Дополнительно образуются октаэдрические слои из алюминия и гидроксила, расположенные между двумя силоксановыми слоями (рисунок 11.1). Трехслойные сендвичные структуры слабо связаны между собой с помощью катионов калия, имеющих координационное число 12. В других разновидностях слюды ионы калия заменены литием, кальцием или натрием. Октаэдрические слои могут состоять главным образом из гиббсита [Al(OH)₃], как в мусковите, или бруцита [Mg(OH)₂] как во флогопите. Присутствие железа или других примесей в структуре дает окрашенные виды слюды. Каждая элементарная трехслойная структура имеет толщину порядка 1 нм.

Рисунок 11.1 – Кристаллическая структура мусковита

по Джексону и Весту.

Твердость слюды относительно мала (2,5-4,0 по шкале Мооса), так что абразивность ее низка и износ промышленного оборудования при переработке композиций, наполненных слюдой, намного меньше, чем при переработке стеклопластиков. Плотность варьируется между 2750-3200 кг/м³ в зависимости от типа слюды. Флогопит, содержащий в своем составе ионы магния, обычно имеет плотность, близкую к плотности стекла и более низкую, чем плотность мусковита. Большинство видов слюды нерастворимо в сильных кислотах или основаниях, но биотит и флогопит легко травятся горячей концентрированной серной или фосфорной кислотами с сохранением высокопористого скелета из чистого диоксида кремния. Слюда всех типов реагирует с плавиковой кислотой и расплавами щелочных металлов.

Превосходные диэлектрические свойства мусковита и флогопита обусловили их широкое применение в электротехнической промышленности. Пленка мусковита или флогопита толщиной всего около 2,510^-3 см способна выдерживать напряжение 5000В без пробоя. Инертность слюды к действию масел и воды также является ее достоинством как электроизолятора. Кроме того, слюда характеризуется отличной стойкостью к атмосферным воздействиям, химической инертностью, низкой теплопроводностью и длительной стабильностью при высоких температурах. Мусковит выдерживает без разрушения нагревание до 500-530^оС, а флогопит стабилен до 1000^оС.

Применение слюды в качестве наполнителя. Слюда с высоким характеристическим отношением наиболее пригодна в качестве усиливающего наполнителя термопластов. Однако такую слюду очень трудно вводить в термопласты, поскольку общепринятые методы совмещения компонентов обычно приводят к разрушению чешуек и снижению их характеристического отношения. Поскольку эффект усиления в решающей степени определяется средним характеристическим отношением частиц наполнителя в готовом изделии, получаемый прочность и модуль упругости наполненных слюдой термопластов далеки от оптимальных.

Термопласты, наполненные слюдой, обладают следующими достоинствами как конструкционные материалы: высокой жесткостью при высокой степени наполнения, превосходной химической и коррозионной стойкостью, низкой проницаемостью, хорошими диэлектрическими свойствами, малым короблением изделий, низким термическим коэффициентом расширения, низкой горючестью, ускоренным циклом формования, усиливающим эффектом в плоскости ориентации, деформационной теплостойкостью, сохранением прочности во влажной среде, низкой абразивностью и малым износом производственного оборудования, относительно низкой стоимостью, хорошей воспроизводимостью формы, хорошей адгезией лакокрасочных покрытий.

Слюда используется в качестве специального наполнителя термореактивных составов, применяемых в радиоэлектронной и электротехнической промышленностях. Кроме того, слюда придает изделиям из этих материалов повышенную жесткость, улучшенную стабильность размеров, повышенную деформационную теплостойкость, пониженную проницаемость, уменьшает стоимость.

Для наполнения термореактивных составов и клеев используется слюда мокрого или сухого помола с характеристическим отношением ниже 30. Такое низкое характеристическое отношение не позволяет существенно повысить модуль упругости прочность наполненных материалов. Использование слюды с высоким характеристическим отношением и однородной толщиной чешуек в качестве наполнителя отверждающихся связующих обеспечивает получение материалов с достаточно высоким модулем упругости и прочностью.

12 Волластонит (силикат кальция)

Волластонит является единственным производимым в промышленном масштабе чисто белым минералом с совершенной игольчатой формой кристаллов. Игольчатая форма кристаллов позволяет использовать волластонит в качестве усиливающего наполнителя полимеров, аналогично другим типам коротковолокнистых наполнителей. В отличие от талька и асбеста волластонит классифицируется как безопасный минеральный наполнитель. Предельно допустимая концентрация волластонита в воздухе составляет 15 мг/м³ по сравнению с разрешенными двумя частицами на 1 см³ за 8 часов при работе с асбестом и тальком. По прочности при изгибе, растяжении, стойкости к действию ультрафиолетовых лучей и к воде полимерные композиции, наполненные волластонитом, превосходят большинство других наполненных систем.

Волластонит является природным соединением силиката кальция (CaSiO₃).

Получение волластонита. Сырьё для получения волластонита добывается шахтным способом. Для удаления силикатов других металлов, содержащихся в сырье, применяется высокоинтенсивный магнитный метод. Измельчение очищенного волластонита производится в шаровых мельницах, а разделение – с помощью воздушных сепараторов. Сорта волластонита, используемого в качестве наполнителя для пластмасс, получают специальным способом, обеспечивающим сохранение характеристического отношения природных кристаллов при расщеплении более крупных кристаллических образований.

Физические свойства волластонита фирмы "Интерпейс":

Химический состав волластонита общей формулы CaSiO₃, в %:

Потери при прокаливании 0,9. Молекулярная масса 116.

Распределение частиц по размерам. Волластонит известных марок, таких как С-6 и С-1 обычно используются в производстве керамики, марки Р-1 и F-1 – в качестве наполнителей для пластмасс, а Р-4 – в качестве наполнителя для лакокрасочных материалов или разбавителя пигментов.

Игольчатая форма частиц сохраняется даже в самых тонких кристаллах (рисунки 12.1, 12.2).

Рисунок 12.1 – Микрофотография волластонита марок Р-1 (а) и F-1 (б).

Увеличение 100.

Рисунок 12.2 – Кристаллы волластонита.

Применение. Волластонит используется для наполнения ненасыщенных полиэфиров, поливинилхлоридных пластизолей, полиамидов и полипропилена. Он обеспечивает более высокую прочность при изгибе и растяжении по сравнению с другими минеральными наполнителями и отличается высокой водостойкостью. Волластонит, обработанный силанами, обладает уникальными свойствами (рисунок 12.3).

Волластонит марки Р-1 может быть использован в полиэфирных прессованных композициях при высоких концентрациях с обеспечением необходимой рабочей вязкости (рисунок 12.4).

а-в: 1- ненаполненный полиамид 6; 2 – наполненный 70% волластонита,

обработанного аппретом А-100; г-е: 1- ненаполненный полиамид 6;

2 - наполненный 50% глины марки Нулок 321.

Рисунок 12.3 – Изменение свойств полиамида 6, наполненного волластонитом (а-в)

и глиной (г-е) при выдержке в воде при 50⁰С.

Рисунок 12.4 – Зависимость вязкости по Брукфилду дисперсии волластонита

марки Р-1 в олигоэфирной смоле от его содержания.

Волластонит вызывает меньшее увеличение вязкости при высоких степенях наполнения, чем карбонат кальция.

Композиции, наполненные волластонитом, имеют меньшее водопоглощение и меньшие потери прочности и модуля упругости при растяжении.

Волластонит успешно конкурирует с тальком, коротковолокнистым асбестом и слюдой в качестве минерального наполнителя полимеров. На него приходится 10-15% от общего количества используемых в настоящее время в промышленности пластмасс минеральных наполнителей.